En forskargrupp ledd av Northwestern University och University of Michigan har utvecklat en ny metod för att montera partiklar till kolloidala kristaller, en värdefull typ av material som används för kemiska och biologiska avkännings- och ljusdetekterande enheter. Med denna metod har teamet för första gången visat hur dessa kristaller kan designas på sätt som inte finns i naturen.

Teamet använde Advanced Photon Source (APS), ett US Department of Energy (DOE) Office of Science-användaranläggning vid DOE:s Argonne National Laboratory, för att bekräfta sin avgörande upptäckt.

"En kraftfull röntgenstråle möjliggör de högupplösta mätningar du behöver för att studera den här typen av montering. APS är en idealisk anläggning för att genomföra denna forskning," anmärkte Byeongdu Lee från Argonne National Laboratory.

"Vi har upptäckt något fundamentalt om systemet för att tillverka nya material", säger Chad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences i Northwestern. "Denna strategi för att bryta symmetri skriver om reglerna för materialdesign och syntes."

Forskningen leddes av Mirkin och Sharon C. Glotzer, Anthony C. Lembkes ordförande för kemiteknik vid University of Michigan, och publicerades i tidskriften Nature Materials .

Kolloidala kristaller är mycket små partiklar med andra, mindre partiklar (kallade nanopartiklar) ordnade inuti dem på ett ordnat eller symmetriskt sätt. De kan konstrueras för tillämpningar från ljussensorer och lasrar till kommunikation och datoranvändning. För denna forskning försökte forskare bryta naturens naturliga symmetri, som tenderar att ordna små partiklar på det mest symmetriska sättet.

"Föreställ dig att du staplar basketbollar i en låda", sa Argonnes Byeongdu Lee, en gruppledare vid APS och en författare på tidningen. "Du skulle ha ett specifikt sätt att göra det som skulle få maximalt värde från utrymmet. Det är så naturen gör det."

Men, säger Lee, om bollarna töms i en viss mängd, kan du stapla dem i ett annat mönster. Forskargruppen, sa han, försöker göra samma sak med nanomaterial, och lär dem att själva montera ihop till nya mönster.

För denna forskning använde forskare DNA, molekylen inuti celler som bär genetisk information. Forskare har lärt sig tillräckligt om DNA för att kunna programmera det för att följa specifika instruktioner. Detta forskarteam använde DNA för att lära metallnanopartiklar att montera ihop till nya konfigurationer. Forskare fäste DNA-molekyler till ytorna på nanopartiklar av olika storlekar och fann att de mindre partiklarna rörde sig runt de större i mellanrummen mellan dem, samtidigt som de fortfarande binder ihop partiklarna till ett nytt material.

"Att använda stora och små nanopartiklar, där de mindre rör sig som elektroner i en kristall av metallatomer, är ett helt nytt tillvägagångssätt för att bygga komplexa kolloidala kristallstrukturer," sa Glotzer.

Genom att justera detta DNA ändrade forskarna parametrarna för de små elektronekvivalenta partiklarna och ändrade därmed de resulterande kristallerna.

"Vi utforskade mer komplexa strukturer där kontroll över antalet grannar runt varje partikel gav ytterligare symmetribrott," sa Glotzer. "Våra datorsimuleringar hjälpte till att dechiffrera de komplicerade mönstren och avslöja mekanismerna som gjorde det möjligt för nanopartiklarna att skapa dem."

Detta tillvägagångssätt satte scenen för tre nya, aldrig syntetiserade kristallina faser, varav en inte har någon känd naturlig motsvarighet.

"Kolloidala partikelaggregat har alltid någon analogi i det naturliga atomsystemet," sa Lee. "Den här gången är strukturen vi hittade helt ny. Sättet den monteras har vi inte sett metaller, metallegeringar eller andra material naturligt montera sig på detta sätt."

"Vi vet inte de fysiska egenskaperna hos materialet ännu," sa Lee. "Nu lämnar vi över det till materialforskarna att skapa detta material och studera det."

Teamet använde APS:s ultraljusa röntgenstrålar för att bekräfta den nya strukturen hos deras kristaller. De använde högupplösta röntgenspridningsinstrument med liten vinkel vid strållinjerna 5-ID och 12-ID för att skapa exakta bilder av arrangemanget av partiklar som de hade skapat.

"En kraftfull röntgenstråle möjliggör de högupplösta mätningarna du behöver för att studera den här typen av montering," sa Lee. "APS är en idealisk anläggning för att genomföra denna forskning."

APS genomgår för närvarande en massiv uppgradering, som Lee noterade kommer att tillåta forskare att bestämma ännu mer komplexa strukturer i framtiden. Instrumenten på 12-ID uppgraderas också för att dra full nytta av de ljusare röntgenstrålar som kommer att finnas tillgängliga.

Dessa lågsymmetriska kolloidala kristaller har optiska egenskaper som inte kan uppnås med andra kristallstrukturer och kan användas i ett brett spektrum av teknologier. Deras katalytiska egenskaper är också olika. Men de nya strukturerna som presenteras här är bara början på möjligheterna nu när förutsättningarna för att bryta symmetri förstås.

"Vi är mitt i en aldrig tidigare skådad era av materialsyntes och upptäckt," sa Mirkin. "Detta är ytterligare ett steg framåt för att ta ut nya, outforskade material ur skissboken och till applikationer som kan dra nytta av deras sällsynta och ovanliga egenskaper." + Utforska vidare

Studie avslöjar hur man bryter symmetri i kolloidala kristaller